概述了解释磁流变液链化机理的3种理论即磁畴理论、相变理论和偶极矩理论,以及链化机理的定量分析和数值模拟。同时介绍了3种描述磁流变液行为的理论方法和途径即宏观本构描述、微观分析描述和数值模拟描述。上述磁流变液的基础理论研究对优化磁流变材料的配置和设计高性能磁流变装置具有重要意义。

鉴于油酸和月桂酸2种表面活性剂对磁流变液稳定性所起到的不同的作用,制备了若干种不同配比的以油酸和月桂酸共同添加的磁流变液,测量它们的零场粘度、力学性能和沉降率-时间曲线,研究了月桂酸、油酸和羰基铁粉3种成分的含量对于磁流变液稳定性和力学性能的影响。结果表明合理的添加油酸和月桂酸对于制备零场粘度小且稳定性优良的磁流变液具有显著的效果。

磁流变液(MRF)的力学性能与其微结构密切相关,而其微结构的形成与演化受多种因素的影响。研究了静磁场和剪切作用下磁流变液微结构的形成与演化。在静磁场作用下,分析了颗粒体积分数和磁感应强度对其微结构的影响;在剪切作用下,观测了微结构的动态演化过程。实验结果表明,在相同磁感应强度下,随着颗粒体积分数的增加,通链数目逐渐增多,孤立链减少,且由相互独立的单链转变为相互聚集的束链,在相同颗粒体积分数下,随着磁感应强度的增加,颗粒链的间距增大,链的聚合度明显提高;在剪切过程中,成功地捕捉到了磁流变液颗粒链从形成→拉伸→断裂→重组的动态演化过程,当该过程达到动态平衡时,为磁流变液提供了稳定的抵抗宏观剪切的能力。

杆形颗粒磁流变液是新近出现的新型磁流变液,它比传统磁流变液具有更好的性能。基于磁力学理论,通过分析磁化链中杆形颗粒的受力,包括磁力、压力、摩擦力及磁场对颗粒的力矩等,建立了磁流变液的剪切屈服应力模型,并和球形颗粒磁流变液加以对比,发现杆形颗粒磁流变液具有更高的屈服应力。计算结果和实验数据的比较表明,该模型能描述不同磁场强度下杆形颗粒磁流变液的屈服应力,并通过分析摩擦和颗粒尺寸的影响,发现增大颗粒摩擦系数和颗粒细长比能有效提高该磁流变材料的剪切屈服应力。

采用ANSYS有限元软件,计算了磁流变液单链在剪切过程中的力学特性,并以此为基准分别与基于简化偶极子模型和基于不简化偶极子模型的结果进行了比较。结果表明,简化偶极子模型在描述磁流变液力学特性方面具有较高的精度,但由其得到的剪切屈服应力略低于有限元计算结果。这对于改进偶极子模型以建立磁流变液性能更精确快捷的多层次描述方法,进而设计高性能磁流变液具有重要的意义。

采用有限元软件ANSYS建立了磁流变液的单链力学模型,考虑颗粒的非线性磁化及磁化饱和过程,计算了单链的磁场分布,以及单链中颗粒数量对剪切力的影响。基于统计力学的方法,从磁流变液的微结构出发,利用Maxwell应力张量,得到了磁流变液的力学响应特性,计算结果能较好地描述有关实验现象,表明有限元方法可用于磁流变液实际问题的分析,这对新型高性能磁流变液材料的设计具有一定的指导作用。